CN105515998B - 一种sptn域三层域和二层域互通的方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于软件定义分组传送网三层域和二层域互通的方法与系统，该方法包括：数据库收集外部信息；一级控制单元接收业务，根据业务的源和目的地址算路；二级控制单元分析一级控制单元传来的业务参数后下发任务。该系统包括：一级控制单元，其中包括任务接收模块、任务分析模块、任务下发模块、链路保护模块、告警模块、一级数据库、任务上传模块；二级控制单元，其中包括二级任务下发模块、二级数据库、二层防环模块、ARP模块、switch模块。本发明不仅可以实现SPTN域三层域和二层域之间的互通，即业务流可以从IP层发往MAC层，也可从MAC层发往IP层，还提供了链路保护、告警以及QoS设置的功能，保证了网络的可靠性和健壮性。

Description

一种SPTN域三层域和二层域互通的方法与系统

技术领域

本发明涉及通信领域中的软件定义分组传送网，即SPTN网络，是一种软件定义分组传送网中三层域和二层域互通的方法与系统。

背景技术

由于在计算机网络的五层协议中数据链路层是第二层，对应于数据包的二层头部，网络层是第三层，对应于数据包的三层头部，因此在本专利中，将匹配MAC地址的设备所组成的区域简称为二层域，将匹配IP地址的设备所组成的区域简称为三层域。

软件定义分组传送网，简称SPTN，在二层域的应用已经得到了较为广泛，然而，SPTN在三层域的应用还不是十分广泛。随着软件定义网络的思想不断深入，将SDN思想融入现行网络的趋势也越来越明显。目前，将SDN思想融入到无源光网络的应用已逐渐成熟，SPTN也会随之慢慢发展起来。随着SPTN在三层域的应用逐渐发展与完善，如何将业务流从二层域传入三层域，以及如何将业务从三层域传入二层域成为了一个技术难点。SPTN三层域和二层域的业务流互通是运营商需要长期面对的一个重要问题。本方案就致力于解决SPTN域三层域和二层域之间的互通问题。

目前存在的方法大多集中在解决多个同层域之间的互通问题，很少考虑到跨层的情景，并且具备的功能较简单，难以应用到实际网络。

发明内容

本发明提供了一种软件定义分组传送网中三层域和二层域之间的互通方法，以解决现有软件定义分组传送网中三层域和二层域之间通信效率低下的问题。

为解决上述问题，本发明实例提供了一种互通方法，包括：

1、软件定义分组传送网是否需要获知外部路由器或是主机的地址信息，如果是，则通过在二级控制单元运行边界信息收集模块，收集边界信息。当SPTN域收到来自外部路由器或是主机发来的ARP包时，收到ARP包的交换机就被定义为边界交换机，边界交换机会将ARP上传给二级控制单元，二级控制单元通过解析ARP包获取外部路由器或是主机的IP或是MAC地址，再和上传ARP包的交换机的dpid以及接收到ARP包的端口号，一同上传给一级控制器，存入一级数据库。同时为了避免重复上传同样的ARP包，二级控制单元的信息收集模块有一张特定的表格，用于记录收到的ARP包的源和目的IP地址。当二级控制单元收到交换机上传上来的ARP包时，会在这张表格查找是否之前收到过同样的ARP包，如果收到过，就不处理这个ARP包，否则，仍然会上传相关信息。

2、软件定义分组传送网是否需要根据网管下发的任务给各个交换机下发流表，如果是，那么当网管给一级控制单元下发业务建立请求后，一级控制单元的任务接收模块会接收到任务请求，并存入数据库当中，然后将任务请求传入任务分析模块，结合数据库中已获得到的外部路由和地址等信息，生成一组任务下发所需的参数，再传给任务下发模块。任务下发模块将分析后的参数通过restful协议封装后，下发给二级控制单元。二级控制单元的任务执行模块接收到参数后，结合自身的二级数据库得到域内的完整路径，即需要经过的交换机，再分析每个交换机所需执行的流表操作，用特定的消息格式封装任务后，给这条路径上的所有交换机下发流表。

3、软件定义分组传送网是否需要传输二层业务和三层业务，如果是，那么在二级控制单元给交换机下发流表时，会给三层域的边缘交换机下发匹配IP域的流表，并且添加修改MAC地址的动作，给二层域的边缘交换机下发匹配。为了能够在三层域边缘修改MAC地址，控制器会给边缘交换机下发多级流表，当业务流到达边缘交换机时，会执行去标签的动作，然后执行goto动作前往下一级流表匹配IP地址，并执行相应的修改MAC地址的动作，最后从出端口发出。第二级的流表由ARP模块下发，当ARP模块收到来自二层域的ARP包时，会下发匹配这个IP地址并修改MAC的流表。

4、软件定义分组传送网是否需要数据库实时更新机制，如果是，那么在二级控制单元的信息收集模块会周期性地向底层转发设备发送查询信息，包括交换机与链路状态，并将反馈及时上传给一级控制单元，同时，当二级控制器收到ARP包时，会触发事件处理函数，将ARP内的信息，即外部设备的信息也会及时上报。二级控制单元的事件触发机制使得一级数据库和二级数据库的信息的实时性得到了保证。

5、软件定义分组传送网是否需要链路保护机制，如果是，则在一级控制单元运行链路保护应用。链路保护模块与数据库连接，从数据库实时获取链路的状态，当检测到链路断开时，链路保护模块就会启动，任务调用单元也随之启动。将断开链路两端的交换机的dpid输入至任务调用单元，任务调用单元启动任务分析模块和任务下发模块，传入参数后，就会给二级控制单元下发新的任务，从而为两台交换机建立新的路径。

6、软件定义分组传送网是否需要告警机制，如果是，则运行告警模块。告警模块与一级数据库连接，实时获取交换机状态或是链路状态等信息，网络管理员在该模块中为重要的性能指标设置安全值，如链路最大流量、端口最大队列数等，当出现链路断开、交换机断掉或是链路流量超标等情况时，告警模块就会从数据库的实时信息中得知，然后将告警信息通过任务上传模块用restful接口上传给网络管理员。

7、软件定义分组传送网的二层域是否存在环路，如果存在，通过在二层域的二级控制单元运行MSTP应用，在二层域运行MSTP协议。在二级控制单元内为每个交换机和它的端口设置优先级，确定交换机的BLOCK端口，阻止了环路的形成，从而避免了广播风暴的发生。

本发明的系统如下，包括：

a、一级多层控制单元，包括：

1、任务接收模块，用于接收从网管下发下来的任务，并将其存储在自身的数据库的特定位置；

2、任务分析模块，接收从任务接收模块传来的参数，结合数据库中储存的路由信息以及外部信息，生成任务执行模块所需的参数，同时，启动QoS设置模块，通过网络管理员设置的QoS参数生成相关参数，一同传递给任务执行模块；

3、任务下发模块，接收从任务分析模块输出的参数，根据特定的函数和算法，结合数据库信息，生成针对于不同二级控制单元的任务，并下发给二级控制单元；

4、进一步，由于二层和三层的不同，一级控制单元向二层和三层的二级控制单元下发的任务参数类型也有所不同，比如，三层控制单元给转发面下发任务时只会匹配IP字段，而二层控制单元下发任务时只会匹配MAC字段；

5、链路保护模块，用于在主链路由于意外故障断掉的情况下启动副链路以保证两点之间的链路状态不受影响；

6、进一步，链路保护模块可以从数据库中获取实时的链路状态，当获取到的链路状态显示为断开时，就会启动特定的函数执行链路保护模块，向断开链路的交换机下发新的路径建立任务；

7、进一步，链路保护模块还包括任务调用单元，当链路保护模块启动后，任务调用单元也随之启动，任务调用单元通过调用任务分析和任务执行模块，执行如上所述的模块执行流程，向断开链路的交换机下发新的路径建立任务；

8、告警模块，运行在一级控制单元，从数据库实时获取域内的交换机和链路状态，当出现某种特定情况，比如链路流量超标、交换机突然断掉或是出现ARP攻击，该模块会向任务上传模块发出告警信息，并包含具体的告警内容；

9、一级数据库，存在于一级控制单元中，用于储存所管辖范围内的所有交换机的拓扑和域内所有虚拟节点之间的拓扑，以及交换机工作状态和连接的链路状态，包括交换机各个端口的流量统计，各个交换机的路由信息匹配次数，以及链路的流量、时延、QoS等信息；

10、任务上传模块，存在于一级控制单元，当网管需要获知交换机运行状态时，控制单元会通过这个模块将交换机的相关信息通过restful接口上传；当出现告警情况时，告警模块也会调用这个模块将告警消息上传给网管。

b、二级控制单元，包括：

1、二级任务下发模块，接收一级控制单元发来的任务参数，根据参数，在二级数据库中查找对应信息，将查找出的对应信息封装成特定的消息类型后，下发给底层的转发单元；

2、二级数据库，存在于二级控制单元中，根据之前获取到的本域内的完整拓扑，生成一个具有特殊数据结构类型的信息库，用于储存域内边缘节点之间的路由和边缘节点与外部路由器或主机连接的出端口等相关信息，用于结合一级控制单元下发的任务计算域内路由；

3、二层防环模块，运行在二级控制单元，在控制单元通过运行特定的应用在二层转发层面运行MSTP或是RSTP等协议，具体协议选择根据实际情况来决定。二层域由于运行了生成树协议，形成了无环拓扑，从而阻止了广播风暴的发生；

4、ARP模块，运行在二级控制单元，当交换机收到ARP包时，会上报给二级控制单元的ARP模块，ARP模块提取里面包含的外部路由器或是主机的IP地址、MAC地址等信息，储存在自身的二级数据库，同时上报给一级控制单元。如果是运行在三层域的控制单元上，ARP模块会给边缘交换机下发匹配IP修改MAC的流表；如果是运行在二层域的控制单元上，ARP模块会下发泛洪消息。

c、转发单元，接收上层控制单元发来的消息，并执行消息中的操作。

附图说明

图1为本发明实施例的系统模块总图。

图2为本发明实施例的修改MAC地址的方法流程图。

图3为本发明实施例的业务下发的流程图。

图4为本发明实施例的控制单元的数据库更新模块图。

图5为本发明实施例的控制单元的数据库更新流程图。

图6为本发明实施例的链路保护的流程图。

图7为本发明实施例的告警的流程图。

具体实施方式

参考图1，说明了系统功能的模块图，可以包括以下模块：

1、任务接收模块接收网管下发的业务参数，具体为源和目的的IP或是MAC地址。

2、任务分析模块接收到从任务接收模块发来的参数，并连接一级数据库通过函数处理模块对业务参数进行分析处理。

3、任务下发模块接收任务分析模块的参数，并根据业务类型将不同类型的参数通过restful接口下发给不同层次域的二级控制单元。

4、链路保护模块与一级数据库连接，实时获取链路状态，当交换机或是链路断开时启动任务分析和任务下发模块重新建立路径。

5、告警模块与一级数据库连接，实时获取特定类型的数据，当网络状态发生异常时将异常信息上报给网管。

6、一级数据库记录所管辖范围内的网络运行状态，包括交换机状态、链路连接情况，端口流量，流表匹配次数以及外部ARP表和路由表等信息。

7、任务上传模块用于将控制单元内的信息上传给网管或是在出现告警情况时将告警信息上传给网管。

8、二级任务下发模块接收一级控制单元下发下来的任务参数并连接二级数据库对任务参数进行分析，根据业务参数的源和目的交换机的dpid算出一条完整路径，然后对该路径上的交换机下发流表。

9、二级数据库记录本域内的网络运行状态，如ARP表和拓扑连接情况。

10、二层防环模块在二层域内根据已设置的交换机优先级，通过生成树协议的算法得出将要阻塞的端口，然后下发相应的openflow报文将特定端口堵塞。

11、ARP模块用于从交换机上传上来的ARP报文中获取外部路由器或主机的IP与MAC地址等信息，将信息记录至二级数据库，并且通过restful接口上报给一级数据库。在建立路径之后，ARP模块会下发修改MAC地址的副流表。

12、switch模块向交换机下发LLDP报文，然后通过收到的LLDP报文获取底层交换机连接情况。

参考图2说明了修改MAC地址的流表下发的流程图，可以包括以下步骤：

1、二级控制单元的ARP模块收到了交换机上传上来的ARP报文。

2、ARP模块提取了报文里面的源IP和源MAC地址，记录至二级数据库，并且将提取出来的信息通过restful接口上报给一级控制单元。

3、ARP模块对边缘交换机下发优先级比主表低的修改MAC地址的流表。匹配域是二层内的主机或是外部路由器的IP地址，动作是将目的MAC地址修改为目的IP对应的MAC地址，源MAC地址修改为本端口对应的MAC地址。

4、当一条业务由三层域发往二层域时，在边缘交换机执行去除MPLS标签、goto、转发的操作，goto是指去匹配修改MAC地址的副流表，业务流修改MAC之后输出。

参考图3说明了业务下发的流程图，可以包括以下步骤：

1、网管从一级控制单元北向接口用restful格式封装业务，下发给一级控制单元。

2、业务内容大致包括业务流的源和目的IP或是MAC地址。

3、一级控制单元的任务接收模块收到业务后，传递给任务分析模块，任务分析模块与数据库连接，结合数据库中的数据，在函数处理模块用特定的函数和算法算出任务执行所需的参数，如路径所经过的域的交换机的dpid和出端口。

4、任务执行模块在输入参数后启动，给各个二级控制单元分配相应的任务。

5、如果路径经过二层域，任务分析模块还会产生交换机优先级等参数，下发给管理二层域的二级控制单元。

6、如果路径经过三层域，任务分析模块还会产生出三层域时需要的修改MAC地址，下发给管理三层域的二级控制单元。

7、二级控制单元收到任务后，根据源和目的dpid，结合二级数据库，算出一条完整路径，并且产生一组随机数组，用于设置MPLS标签，之后，将流表、修改的MAC地址和MPLS标签用openflow消息封装后下发给路径需要经过的交换机。

8、如果是二层域的二级控制单元，还会接收交换机优先级，然后启动二层防环机制。二层防环模块接收交换机的优先级，然后运行生成树协议决定将要阻塞的端口，之后向该交换机下发阻塞端口的openflow报文。

9、如果是三层域的二级控制单元，会给最后一跳的交换机下发修改MAC的动作。

参考图4说明了一种控制单元内数据库更新的模块图，可以包括以下模块，：

1、switch模块将LLDP报文封装成openflow报文后下发给交换机，然后通过交换机上传的LLDP报文获取交换机连接情况，将连接信息记录至二级数据库，并通过restful接口上传给一级数据库。

2、ARP模块将交换机上传上来的ARP报文从openflow报文中解析后，得到ARP报文中包含的外部路由器或主机的IP与MAC地址，将信息记录至二级数据库，并通过restful接口上传给一级数据库。

参考图5说明了数据库更新的流程图，可以包括以下步骤：

1、SPTN设备接入到网络后，与控制单元建立连接，用openflow消息上传自身的dpid和端口信息。

2、二级控制单元接收到底层转发设备上传的openflow消息，解析后，记录至二级数据库。

3、二级控制单元将相同的消息用restful接口上传至一级控制单元。

4、一级控制单元解析消息后，将信息记录至一级控制单元。

5、二级控制单元将LLDP用openflow协议封装后下发给底层转发设备，探测网络拓扑。

6、底层转发设备接收到转发LLDP报文给相邻的设备。

7、相邻设备收到LLDP报文后，上传给控制器。

8、控制器接收到LLDP报文，获知了链路连接情况，将链路两端的交换机的dpid和转发端口号记录至二级数据库，并且将相同信息上传。

9、一级控制单元将信息记录至一级数据库。

10、当底层设备收到外部路由器或是主机发来的ARP包时，底层设备将ARP包上传至二级控制单元，二级控制单元的信息收集模块解析ARP包后，查看一张特定的表格，是否这个ARP包的源和目的IP地址在这张表格的记录中。

11、如果存在，则下发洪泛报文。

12、否则，将ARP的源和目的IP、上传ARP包的交换机dpid以及端口号上传至一级控制器，将源和目的IP地址记录至特定的表格中，并且下发洪泛报文。

13、一级控制单元将信息记录至一级数据库。

14、底层转发设备收到洪泛消息后，将ARP洪泛。

15、二级控制单元周期性地向底层转发设备发送openflow消息和LLDP报文，查询底层交换机的状态和链路连接情况。并且按照如上步骤实时更新一级和二级数据库

参考图6说明了链路保护的流程图，可以包括以下步骤：

1、链路保护模块与一级数据库连接，实时获取交换机和链路状态。

2、当检测到链路断开时，链路保护模块启动任务调用单元。

3、任务调用单元启动一级控制单元中的任务分析与任务执行模块，给二级控制单元下发任务。

4、二级控制单元接收一级控制单元下发下来的任务参数，解析后从二级数据库中根据源和目的地址选择一条完整路径，对该路径上的所有交换机下发建立流表的openflow报文，从而在源和目的交换机建立一条新的路径。

参考图7说明了告警的流程图，可以包括以下步骤：

1、网络管理员通过restful接口给一级控制单元的告警模块设置告警阈值，比如某端口的流量不超过某一特定限定值。

2、告警模块与一级数据库连接，实时获取交换机和链路的运行状态。

3、当获取到的数据超过告警阈值时，告警模块便通过任务上传模块给网络管理员上传告警信息。

4、告警模块将详细告警数据上传给网管。

Claims (12)

1.一种SPIN域三层域与二层域相互通信的方法，其特征在于，包括：

一级数据库收集外部信息，启动链路保护模块和告警模块，一级控制单元接收网管下发的业务请求结合一级数据库的信息算出任意两台边界交换机路径建立所需的参数，将任务参数下发给二级控制单元，二级控制单元分析任务参数后，对交换机下发任务；二级控制单元采用周期性查询和基于事件触发的查询至少一种方式向底层转发设备发送查询信息。

2.根据权利要求l所述的方法，其中一级数据库收集信息的方法的特征在于：

边界交换机从收到的ARP包中至少提取外部IP和MAC地址信息，上报给一级控制单元，一级控制单元记录至一级数据库；

二级控制单元通过LLDP获取底层交换机的连接拓扑，算出交换机之间的链路权值，将边缘交换机之间的链路和权值上报给一级控制单元，一级控制单元记录至一级数据库；

二级控制单元通过接收到的ARP包和LLDP包会实时更新一级和二级数据库。

3.根据权利要求1所述的方法，其中一级控制单元算出任务下发参数的方法的特征在于：

一级控制单元将从网管接收到的地址信息输入至数据库，查找到地址与边缘交换机dpid的对应关系；

将路径源和目的的交换机dpid输入至数据库，得到权值最小的路径；

由目的交换机的dpid查找到出端口和二层域的下一跳MAC地址；

根据业务类型对不同层的二级控制单元下发不同类型的参数。

4.根据权利要求1所述的方法，其中二级控制单元任务下发的方法的特征在于：

二级控制单元将接收到的交换机优先级输入至二层防环模块，从而运行生成树协议；

二级控制单元将接收到的源和目的交换机的dpid输入至二级数据库，得到一条完整的路径信息，即路径所经过的所有交换机的dpid；

设置MPLS标签，通过链路连接状态找到出端口；

将MPLS标签、出端口下发给对应的交换机；

为三层域边界交换机下发修改MAC地址的流表。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：

修改MAC地址的流表由ARP模块根据自身的ARP表为二层和三层之间的边界交换机下发，修改MAC地址的方法采用的是多级流表匹配的方式。

6.一种SPIN多级控制单元构成的系统，该系统包括一级控制单元和二级控制单元，其特征在于：

一级控制单元，其包括任务接收模块、任务分析模块、任务下发模块、链路保护模块、告警模块、一级数据库，其中，

任务接收模块用于接收网管下发的业务参数；

任务分析模块用于接收从任务接收模块发来的参数，并对参数进行分析处理；

任务下发模块用于接收任务分析模块的参数，并通过restful接口下发给二级控制单元；

链路保护模块用于在交换机或是链路断开时启动任务分析和任务下发模块；

告警模块用于在网络状态发生异常时将异常信息上报给网管；

一级数据库用于记录所管辖范围内的网络运行状态，包括交换机状态、链路连接情况、端口流量、流表匹配次数以及外部ARP表和路由表信息；

任务上传模块用于将控制单元内的信息上传给网管；

二级控制单元，其包括二级任务下发模块、二级数据库、二层防环模块、ARP模块，其中，

二级任务下发模块用于接收参数并对交换机下发流表；

二级数据库用于记录本域内的网络运行状态，包括ARP表；

二层防环模块用于在二层域根据己设置的交换机优先级运行生成树协议；

ARP模块用于从ARP请求报文中获取外部IP与MAC地址信息；

switch模块用于通过LLDP报文收集底层交换机连接情况。

7.根据权利要求6所述的系统，其中一级控制单元的特征在于：

任务分析模块与一级数据库连接，结合收到的参数和一级数据库提供的参数，通过函数处理模块处理后得到输出；

链路保护模块与一级数据库连接，并能够启动任务分析与任务下发模块；

告警模块从网络管理员获得设置的特定的标准值，并且能够启动任务上报模块。

8.根据权利要求6所述的系统，其中二级控制单元的特征在于：

二级控制单元根据所在域的层次不同，分为二层控制单元和三层控制单元；

二级数据库储存了本域交换机的连接拓扑，当输入任意两个交换机的dpid给二级函数处理模块时，能够得到两台交换机之间的最优路径；

SIP模块需要获得网管设置的交换机的优先级。

9.根据权利要求7所述的系统，其中函数处理模块的特征在于：

函数处理模块能够通过查询一级数据库中的外部ARP表和外部路由表，以及外部IP或是MAC地址与边界交换机的dpid的对应关系，得到一条路径的源和目的dpid，以及出端口，下一跳MAC地址。

10.根据权利要求8所述的系统，其中二层控制单元的特征在于：

二层控制单元具备SIP模块，并且为交换机下发的流表匹配的是MAC域。

11.根据权利要求8所述的系统，其中三层控制单元的特征在于：

三层控制单元具备ARP模块，并且为交换机下发的流表匹配的是IP域。

12.根据权利要求9所述的系统，其中ARP模块的特征在于：

ARP模块能够从ARP包中提取出外部路由器或是主机的IP与MAC地址，保存到二级数据库并通过Restful接口上传给一级控制单元的一级数据库；

如果ARP模块在三层域，该模块还会根据自身的ARP表下发修改MAC的副表，如果是在二层域，该模块还会泛洪ARP包。